我們身處信息時(shí)代，計(jì)算能力不可或缺，但計(jì)算能耗也越來越不容忽視。既然計(jì)算芯片中不斷流淌的是隨時(shí)變化的電流，那我們能否用超導(dǎo)體制造芯片？
早在 1911 年，荷蘭物理學(xué)家卡末林?昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低至 4.2K（約-268.95℃）時(shí)，浸泡在液氦里的金屬汞的電阻會(huì)消失。但直到 1957 年，才有了第一個(gè)能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的理論 ——BCS 理論。該理論由美國(guó)科學(xué)家約翰?巴?。↗ohn Bardeen）、里昂?庫伯（Leon Cooper）和約翰?施里佛（John Schrieffer）基于“波粒二象性”建立。他們認(rèn)為，金屬外層自由電子在有電壓時(shí)，會(huì)流經(jīng)晶格點(diǎn)陣形成電流，但通常情況下，這種晶格點(diǎn)陣有缺陷，會(huì)因熱振動(dòng)使電流產(chǎn)生阻礙。而在超導(dǎo)體中，電子會(huì)被束縛形成“庫伯對(duì)”（Cooper pair），從而產(chǎn)生集體凝聚的波，這種波不同于自由電子，可以無阻礙地穿越晶格點(diǎn)陣。
既然電流在流過超導(dǎo)體時(shí)毫無阻礙，這意味著抑制、甚至阻斷電流都幾乎是不可能的 —— 更不要說只讓電流向一個(gè)方向流動(dòng)了。發(fā)明單向超導(dǎo)體，就像發(fā)明一種特殊的冰，這種冰從一個(gè)方向向另一個(gè)方向滑動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生摩擦，但在另外的方向上滑動(dòng)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生無法克服的摩擦。其實(shí)早在上世紀(jì) 70 年代，IBM 公司的科學(xué)家就有了超導(dǎo)計(jì)算的想法，但是他們很快便不再嘗試。在之后的一篇論文中，IBM 提到，在沒有非互易超導(dǎo)性（non-reciprocal superconductivity）的情況下，不可能造出超導(dǎo)體計(jì)算機(jī)。
對(duì)稱性破缺
那如今的半導(dǎo)體是如何實(shí)現(xiàn)單向?qū)ǖ奶匦缘模?/p>
半導(dǎo)體可以通過 PN 結(jié)實(shí)現(xiàn)單向?qū)ǖ奶匦?。PN 結(jié)分別由 P 型半導(dǎo)體（Positive）和 N 型半導(dǎo)體（Negative）組成，P 型半導(dǎo)體中缺少自由電子，靠空穴導(dǎo)電，N 型半導(dǎo)體中自由電子較多，可以導(dǎo)電。當(dāng) P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體組合到一起時(shí)，兩者接觸面附近的自由電子和空穴會(huì)互相吸引，被束縛在邊界，無法自由移動(dòng)，這一區(qū)域被稱為耗盡層，不再導(dǎo)電。當(dāng)外界施加從 N 到 P 的電壓時(shí)，電子從 P 到 N 方向移動(dòng)，耗盡區(qū)擴(kuò)大，PN 結(jié)不導(dǎo)通；當(dāng)外界施加從 P 到 N 的電壓時(shí)，電子從 N 到 P 方向移動(dòng)，耗盡區(qū)縮小，PN 結(jié)導(dǎo)通。PN 結(jié)由此實(shí)現(xiàn)了單向?qū)ǖ奶匦浴?/p>
超導(dǎo)原理本身的并沒有任何涉及方向性的內(nèi)容?？梢酝ㄟ^外界磁場(chǎng)強(qiáng)行給超導(dǎo)體施加各向異性，從而實(shí)現(xiàn)單向超導(dǎo)。但在不施加外界磁場(chǎng)的情況下，單向?qū)ㄟ@樣具有強(qiáng)烈方向性的特性似乎和超導(dǎo)風(fēng)馬牛不相及。
更何況，BCS 理論中的庫珀對(duì)存在于金屬晶體的晶格中，PN 結(jié)則是建立在半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)上，金屬和半導(dǎo)體的性質(zhì)差異又是一道難以跨越的鴻溝。今天，計(jì)算消耗了越來越多的能源，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程更是能耗大戶，甚至有人懷疑，在實(shí)現(xiàn)真正的人工智能之前，人類會(huì)被高昂的能源代價(jià)拖垮。超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入我們的生活，去年 12 月，上海徐匯商業(yè)核心區(qū)就已經(jīng)投產(chǎn)了總長(zhǎng) 1.2 公里，額定電流 2200 安培，額定容量 133 兆伏安的超導(dǎo)電纜輸電工程。難道我們真的不能用超導(dǎo)技術(shù)降低能耗嗎？
單向超導(dǎo)
前段時(shí)間，德爾夫特大學(xué)（TU Delft）副教授馬扎爾?阿里（Mazhar Ali）和他的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表論文，首次在沒有外加磁場(chǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了單向超導(dǎo)性。他們利用二維量子材料制成“量子材料約瑟夫森結(jié)”（QMJJs），重新點(diǎn)燃了超導(dǎo)計(jì)算的希望。
約瑟夫森結(jié)（Josephson junction，JJ）是英國(guó)物理學(xué)家布萊恩?戴維?約瑟夫森（Brian David Josephson）在 1962 年發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)由超導(dǎo)體和絕緣體（或其他可以形成勢(shì)壘的材料）構(gòu)成，結(jié)構(gòu)通常為超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（S-I-S）。在這種結(jié)構(gòu)中，超導(dǎo)體中的庫珀對(duì)可以發(fā)生量子隧穿現(xiàn)象。由于這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，他被授予了 1973 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
但約瑟夫森結(jié)這一技術(shù)同樣是對(duì)稱的，不存在任何特殊的對(duì)稱性破缺機(jī)制，導(dǎo)致電流出現(xiàn)“向前”和“向后”的差異。而在阿里教授的量子材料約瑟夫森結(jié)中，原本約瑟芬森結(jié)中的經(jīng)典勢(shì)壘材料被量子勢(shì)壘材料 Nb?Br?取代了。Nb?Br?是一種類似于石墨烯的二維材料，研究團(tuán)隊(duì)可以在這種材料上剝離幾層原子，制作一個(gè)非常薄的“三明治”結(jié)構(gòu)。這種量子材料的固有特性能以非常精細(xì)的方式調(diào)節(jié)兩個(gè)超導(dǎo)體之間相互耦合的方式，從而實(shí)現(xiàn)單向超導(dǎo)。最終，阿里教授團(tuán)隊(duì)使用 NbSe?/Nb?Br?/NbSe?的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單向?qū)ǖ某瑢?dǎo)體。在 20mK、沒有磁場(chǎng)的環(huán)境下，他們證明這種材料在正向電流下超導(dǎo)，在負(fù)向電流下表現(xiàn)出電阻的特性。
美好的未來
這個(gè)成果足以讓人浮想聯(lián)翩。阿里教授表示，這樣的技術(shù)或許可以大幅提升芯片的計(jì)算速度，將其速度提升到 THz 級(jí)別，而當(dāng)前先進(jìn)芯片的運(yùn)行頻率普遍在 1～5GHz 之間，相當(dāng)于速度提升了幾百倍。不過在這種芯片真正投入使用之前，他們還需要解決兩個(gè)問題。第一是將這種結(jié)構(gòu)的工作溫度提升到 77K 以上，液氮制冷能冷卻到這個(gè)溫度，可以大幅降低制冷成本。第二是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，此次試驗(yàn)只在納米器件中制造了一點(diǎn)量子約瑟夫森結(jié)，接下來需要解決的是這種材料大規(guī)模量產(chǎn)的難題。
2020 年，含碳的硫化氫超導(dǎo)體 C-S-H 在 260 萬倍大氣壓下實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的成就曾給人帶來很大的希望。但這項(xiàng)研究在去年卻受到了一系列質(zhì)疑，有人懷疑實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)存在造假嫌疑。這無疑讓人對(duì)超導(dǎo)方面的成就更多了幾分慎重。而馬扎爾?阿里的團(tuán)隊(duì)則盡可能讓他們的實(shí)驗(yàn)保持嚴(yán)謹(jǐn)，盡可能保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。他們已經(jīng)用不同批次的材料，用不同國(guó)家的設(shè)備制造并測(cè)量了這種結(jié)構(gòu)，并且都測(cè)到了符合預(yù)期的結(jié)果。
不過，你可能很難在短時(shí)間內(nèi)在家用電腦、甚至手機(jī)上用上超導(dǎo)芯片。就算研究團(tuán)隊(duì)成功將芯片的工作溫度提升到 77K 以上，液氮冷卻的成本也是大多數(shù)人難以承受的。不過，在計(jì)算能耗越來越不容忽視的今天，就算只是在數(shù)據(jù)中心用上這樣的技術(shù)，整個(gè)人類社會(huì)由此節(jié)省的能量，仍是不容忽略的。
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04504-8
https://www.eurekalert.org/news-releases/950503
http://stdaily.com/index/kejixinwen/2021-12/22/content_1241108.shtml
https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/10/467672.shtm
本文來自微信公眾號(hào)：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），作者： 王昱
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